Cтратегия управления электросинтезом Кольбе при наличии в молекуле ароматического фрагмента и аминогрупп

Н.В.Смирнова¹, Е.Г.Неганова², Е.А.Астафьев², О.А.Петрий², Г.А.Цирлина², И.П.Белецкая²

1. Южно-российский государственный технический университет
2. Московский государственный университет, Химический факультет

Аннотация

Дана общая характеристика процессов, протекающих при анодном окислении фенилуксусной и фенилпропионовой кислот, а также производных a- и b-аминокислот на платиновых электродах в метанольных и смешанных пиридин-метанольных растворах. На основании сравнительных опытов по препаративному электролизу в стационарном и проточном реакторах установлены условия, в которых димеризация (электросинтез Кольбе) в наименьшей степени осложнена образованием полимерных продуктов. Исследованы свойства извлеченных электродов, на которых в ходе электросинтеза формировались устойчивые полимерные пленки. Для пленок, образующихся в определенных условиях на катоде, продемонстрировано наличие квазиобратимого редокс-перехода. Показано, что такие пленки содержат дисперсную платину, соосаждающуюся с полимером в результате растворения анода в ячейках с неразделенными пространствами. Модифицированные пленками электроды могут быть в принципе использованы для управления анодным декарбоксилированием.

Введение

Электрохимическое окисление карбоксилатов, называемое реакцией Кольбе, относится к числу старейших реакций органической электрохимии и нашло в результате 150-летних исследований многочисленные синтетические применения [1-3]. В то же время распространение этого подхода к димеризации органических молекул на широкий круг функционально-замещенных карбоновых кислот, чрезвычайно перспективное для синтеза комплексонов, других хелатирующих лигандов и хиральных оснований, затруднено многочисленными ограничениями: параллельным окислением заместителей, образованием полимерных продуктов, растворением металла анода. Некоторые успехи, достигнутые в последние годы в этом направлении для фосфорорганических соединений [4], свидетельствуют о принципиальной возможности обеспечения удовлетворительных выходов симметричных димеров. Поэтому представляется целесообразным как минимум оценить перспективы оптимизации синтеза Кольбе для другой важной группы реагентов - a- и b-аминокислот, содержащих ароматическое кольцо, и сформулировать возможности и ограничения электросинтеза соответствующих 1,2- и 1,4-диаминов по реакциям типа

Альтернативные пути синтеза этих важных продуктов основаны на проведении каталитических реакций в достаточно жестких условиях (см., например, [5]), причем обеспечивают не слишком высокие выходы.
Согласно литературным данным [6], при анодном окислении a -аминокислот в типовых режимах синтеза Кольбе (среда - метанол, гладкие платиновые электроды, плотность тока порядка 0,1 А/см²) димеризация протекает с низкими или даже нулевыми выходами, а преобладающей становится реакция анодного метоксилирования. Параллельно происходят процессы, сопровождающиеся деструкцией реагента, в том числе приводящие к образованию полимерных продуктов. Следует отметить, что оба эти осложнения в значительной степени характерны и для ароматических карбоновых кислот, не содержащих аминогрупп (например, для фенилуксусной кислоты [7,8]).
Эмпирически найдено, что повышение выхода димера можно обеспечить введением в метанольные растворы в значительных количествах пиридина [2,9]. Механизм действия пиридина и других аналогичных добавок до сих пор не вполне понятен, высказаны лишь предположения о том, что органические добавки в принципе могут окисляться с образованием активных частиц, взаимодействовать с радикалами-интермедиатами или ионами карбония, а также существенно перераспределять содержание компонентов в реакционном слое.
В рамках проекта по синтезу бисфосфинов, диаминов и бисфосфонатов с использованием реакции Кольбе нами предпринято исследование некоторых модельных процессов с участием a- и b-замещенных карбоновых кислот с целью дополнить известные из литературы препаративные результаты сведениями о кинетике процессов и специфическом строении межфазных границ. До сих пор подробные поляризационные измерения в условиях протекания реакции Кольбе [10], а также исследования образующихся адсорбатов [11,12] выполнялись в основном для алифатических незамещенных реагентов. Родственная проблема природы полимерных пленок, как и место возможных процессов электрополимеризации в общей кинетической схеме анодных процессов, до сих пор практически не обсуждались в литературе. Вместе с тем, в изящном исследовании [13] продемонстрирована возможность дериватизации поверхности углеродного электрода в ходе анодного окисления арилацетатов.
В работе предпринята также попытка повышения выхода димера и преодоления осложнений, связанных с полимеризацией, путем замены стационарного реактора проточным. Конструкции проточных реакторов, широко используемых в синтетических исследованиях [14], в основном сориентированы на принудительное удаление из зоны реакции газообразных продуктов, что способствует снижению газонаполнения раствора и обусловленных им значительных омических потерь. На наш взгляд, как и в случае анодного окисления концевых аминов [3], в проточном реакторе реализуется процесс удаления толстых пленок полимерных продуктов с поверхности электродов потоком раствора. Поэтому одной из специально поставленных методических задач было создание проточного реактора оптимальной конструкции.

Методика эксперимента

Опыты по электросинтезу Кольбе выполнялись в реакторах двух типов. В стационарном трехэлектродном охлаждаемом реакторе с неразделенными пространствами рабочий и вспомогательный электроды представляли собой пластины из гладкой платины с видимой поверхностью 1 см², расположенные параллельно друг другу на расстоянии около 1 мм. Хлорсеребряный водный электрод сравнения (потенциалы Е ниже приводятся в шкале х.с.э.) подводили через мостик с двумя кранами и располагали ниже уровня раствора в рабочем пространстве для предотвращения проникновения хлорид-ионов.
Проточный реактор из тефлона представлял собой реакционную проточную камеру с двумя параллельными никелевыми катодами и расположенным между ними центральным платиновым анодом. Площади электродов можно было варьировать в интервале 1-10 см², заменяя экранирующие тефлоновые прокладки с отверстиями. Толщина зазора между анодом и катодами составляла 1 мм. Раствор непрерывно подавался в камеру через трубки при помощи электронасоса из наружного резервуара со скоростью до 0,5 л/мин. Все параметры при конструировании проточного реактора выбирались на основании предварительных экспериментов, в которых оценивали максимально достигаемые (за необходимое для полного превращения реагента время) толщины пленок.
Для поляризации в ходе синтеза и электрохимических измерений использовали потенциостаты П-5827 и Пи-50-1, отклики тока и потенциала регистрировали с помощью двухкоординатного самописца.
В качестве растворителя применяли обезвоженный метанол, очищенный кипячением и перегонкой над метилатом магния [15] и содержащий 20 об.% пиридина. Пиридин очищали перегонкой над натрием. Фенилуксусную (температура кипения Т_кип = 120^оС при 10 мм рт. ст., температура плавления Т_кип = 77-78^оС) и фенилпропионовую (Т_кип = 145-147^о при 18 мм рт. ст., Т_кип = 48^оС) кислоты промышленного производства перегоняли и нейтрализовали 1 М раствором метилата натрия в метаноле.
2-Амино-3-фенилпропионовую кислоту (реагент фирмы Merk) и 3-амино-3-фенилпропионовую кислоту (синтез по методике СОП, т.3, стр.61) ацилировали, добавляя уксусный ангидрид и раствор 4 М NaOH при охлаждении льдом. После завершения реакции вводили концентрированную НСl (до рН около 3) и выделяли осадки 2-ацетиламино-3-фенилпропионовой кислоты (t^o_пл=149^oС) и 3-ацетиламино-3-фенилпропионовой кислоты (t^o_пл=161^oС) (по литературным данным 150^oС [16] и 161-162^o С [17] соответственно).
После проведения препаративного электролиза к реакционным смесям добавляли уксусную кислоту (до нейтрализации), проводили фильтрование для отделения твердых продуктов, из фильтрата отгоняли растворитель на роторе. Из полученных при этом масел делали вытяжки хлороформом, эфиром и ацетоном.
Некольбовский продукт, (1-метокси-2-фенил) этиламид уксусной кислоты идентифицировали по температуре плавления (t^o_пл=100.5^oС, по данным [18] 99.5^oС). Для идентификации этого вещества, а также 1,4-дифенил-1,4-диацетиламинобутана (температура плавления 235^oС) привлекали спектроскопию ПМР (Varian VХR-400, рабочая частота 400МГц).
Количество непрореагировавших исходных, а также 1,2-дифенилэтана и 1,4-дифенилбутана определяли методом ГЖХ (хроматограф Цвет 500, режим Т_дет = Т_исп = 250^oС, Т_кол-ки от 60 до 170^oС 5^oС/мин). Димеры с температурами кипения 110-115^оС и 155-160^oС (при 2 мм рт. ст.) после выделения оказывались чистыми по ГЖХ (по литературным данным температуры кипения 284 [19] и 317^oС [20], соответственно).
Приводимые выходы усреднены по 2-5 опытам.
После препаративного электролиза электроды извлекали из ячейки, отмывали бидистиллированной водой и помещали в трехэлектродную электрохимическую ячейку с разделенными пространствами и водным раствором 0,5 М Н₂SО₄, приготовленным из бидистиллата и дважды перегнанной под вакуумом кислоты. В этих опытах использовался обратимый водородный электрод сравнения в том же растворе (о.в.э.). Исследования извлеченных электродов для детализации состояния их поверхности в ходе электросинтеза Кольбе проводились ранее [6,7] и позволили обнаружить явление адсорбции органических соединений при высоких анодных потенциалах. Однако для исследования пленок на электродах такая методика применительно к проблеме синтеза Кольбе используется впервые.

Обсуждение результатов

Общая характеристика

Процессы, протекающие в исследуемых системах при высоких анодных потенциалах, характеризуются ярко выраженной нестационарностью, поэтому не представляется возможным надежно определить такие формально-кинетические параметры, как тафелевские наклоны и токи обмена для фиксированных участков поляризационных кривых (по аналогии с данными для других процессов в [14]). Измерения псевдостационарных кривых на примере растворов фенилуксусной кислоты (регистрация тока через 10 - 20 мин после перехода к следующему значению потенциала) позволяют выявить два тафелевских участка с наклонами около 250 - 300 мВ, разделенных участком с высоким (около 1 В) наклоном в интервале 2,0 < E < 2,2 В.
Основной особенностью нестационарных поляризационных кривых (рис. 1) является наличие размытого пика тока в области 1,0 < E < 1,7 В. Высота пика тем меньше, чем положительнее потенциал начала развертки и чем больше время выдержки при этом потенциале. На обратном ходе кривых пик всегда отсутствует. При последовательных измерениях пик наблюдается на каждом анодном ходе кривых, постепенно уменьшаясь. Одновременно снижается и ток на участке плавного роста при Е > 1,7 В. Так как обсуждаемая особенность практически не проявляется в растворах фона (по крайней мере при близкой кислотности среды), представляется естественным отнести ее к процессу хемосорбции реагента, а рост тока при более высоких потенциалах - к протеканию фарадеевских процессов (в том числе с участием растворителя). Увеличение анодной границы исследуемого интервала потенциалов до 3,5 В позволяет проследить снижение тока при Е > 3 В, особенно резко выраженное в первом цикле (кривая 1 рис. 1).
Введение в метанольные растворы 20 об.% пиридина снижает ток во всем исследуемом интервале в 2-3 раза. При этом нестационарный максимум тока сохраняется. Увеличение степени нейтрализации кислоты метилатом натрия приводит к систематическому смещению кривых в сторону меньших значений потенциала. В целом все основные особенности поляризационных кривых качественно согласуются с известными для алифатических карбоновых кислот [10].

Препаративный электролиз

Препаративный электролиз выполняли в течение 10-40 ч при потенциалах 2.2-2.4 В (х.с.э.), а также в гальваностатических режимах при плотностях тока 30-300 мА/см². В первом случае происходило снижение тока на порядок и более в течение первых 10-20 мин, а в последнем случае наблюдался быстрый рост Е во времени до значений, превышающих 5-6 В. Это свидетельствует о существенных омических потерях. Одновременно визуально фиксировался рост пленок и появление желтого (иногда - коричневого) окрашивания раствора. Последнее было хотя бы частично связано, по-видимому, с образованием растворимых комплексов платины, так как вид анодов после электролиза явно свидетельствовал о протекании коррозионных процессов.
При окислении фенилуксусной и фенилпропионовой кислот в метанольных растворах без добавок пиридина полное превращение исходных достигается при пропускании заряда, на 50-70% превышающего теоретический, при этом образуется не более 10-12% димеров (1,2-дифенилэтана и 1,4-дифенилбутана, соответственно).
При введении 20 об.% пиридина в стационарном реакторе выходы димеров достигают 30-40% (в расчете на прореагировавшеее вещество), но полного превращения не происходит даже при пропускании заряда, в 2-3 раза превышающего теоретический. Еще более длительному проведению реакций как в гальвано-, так и в потенциостатическом режимах препятствует образование полимерных пленок на аноде и, в особенности, на катоде (ниже такие пленки называются, соответственно, анодными и катодными). В отсутствие протока электролита в ячейке с неразделенными пространствами толщины пленок достигают сотен мкм и иногда приводят к замыканию цепи (что однозначно указывает на проводящий характер пленки). Все это привело к необходимости специально исследовать свойства полимеров, образующихся в условиях синтеза Кольбе (см. ниже).
В проточном реакторе при тех же степенях превращения фенилуксусной и фенилпропионовой кислот (50-70%) в присутствии пиридина достигаются выходы димеров 60-70%. Пленки на электродах при этом достигают значительно меньших толщин, чем в стационарном реакторе, но дальнейший рост полимера продолжается в ходе всего опыта и сопровождается отрывом твердого продукта от поверхности и накоплением его в наружном резервуаре. Длительному электролизу (и, соответственно, более полному превращению) препятствует постепенное увеличение гидродинамического сопротивления раствора, что может быть связано как с увеличением вязкости, так и с образованием суспензии полимера. Это новое препятствие, в отличие от обсуждавшихся выше, не является, однако, принципиальным, и может быть преодолено путем усовершенствования конструкций камеры реактора и насоса.
Для исследованных аминокислот эффективность введения пиридина значительно ниже. Для 2-амино-3-фенилпропионовой кислоты выходы димера не превышают предела обнаружения, но выход (1-метокси-2-фенил) этиламида уксусной кислоты составляет 64%. В случае 2-амино-3-фенилпропионовой кислоты образуется не более 8-10% димера. Вообще говоря, оба указанных предварительных результата могут представлять определенный синтетический интерес, поскольку альтернативных путей синтеза 1,4-диаминов данного состава в литературе не обнаружено.
В перспективе имеет смысл распространить методику с использованием проточного реактора на аминозамещенные реагенты. Однако с учетом более высокой стоимости исходных и необходимости использования значительных объемов раствора необходимо предварительно решить проблему увеличения степени конверсии.

Свойства полимерных продуктов

Анодная пленка после пропускания заряда не более чем 1-2 % от теоретического (в расчете на образование димера) оставалась практически неизменной по толщине. Напротив, рост катодной пленки в стационарном реакторе продолжался в ходе всего опыта вплоть до окончательного заполнения ею пространства между электродами, одновременно происходило отслаивание части полимера и выпадение его на дно реактора.
На циклических вольтамперограммах электрода, модифицированного анодной пленкой (рис.2), видно расширение 'двойнослойной' области потенциалов по сравнению с обычной для платиновых электродов в том же растворе, существенное (хотя и не полное) подавление адсорбции водорода и значительное изменение хода кривых в области адсорбции кислорода. В ходе потенциодинамической обработки происходит десорбция пленки (кривые 2,3 рис.2), и регистрируемая кривая постепенно становится подобной кривым, характерным для чистой платины. Десорбция происходит, по-видимому, как при анодной, так и при катодной поляризации.
В целом можно заключить, что анодная пленка содержит проницаемые для раствора поры и склонна к необратимым процессам окисления и восстановления, которые сопровождаются десорбцией. Вместе с тем, сам факт образования пленки (а не субмонослоя адсорбата) необходимо учитывать при рассмотрении механизмов анодных процессов в обсуждаемых системах.
Значительно более интересным, на наш взгляд, является поведение катодных пленок на извлеченном электроде. Эти пленки имеют большую толщину и иногда оказываются значительно более стабильными при потенциодинамической поляризации в водном кислом растворе, даже если потенциал анодной границы области поляризации превышает 1,5-2,0 В (о.в.э.) (рис. 3).
Толстые катодные пленки сильно влияют на закономерности адсорбции и выделения кислорода и полностью подавляют адсорбцию водорода. При этом в пленках реализуются обратимые редокспревращения при потенциалах около 0,7 В (о.в.э.), что проявляется в наличии на вольтамперограммах острого анодного и раздвоенного катодного пиков тока, высоты которых в первом приближении пропорциональны скорости развертки потенциала (рис.4). Раздвоение катодного пика может быть связано с наложением пика десорбции адатомов кислорода, однако, этот вопрос требует дальнейших исследований.
Оценки величин зарядов, затрачиваемых на адсорбцию кислорода на электроде и на редокс-превращения в пленке, однозначно указывают на то, что пленка имеет достаточно большую толщину (заряжению-разряду подвергаются десятки эффективных монослоев) и содержит микрочастицы платины. Последние образуются, вероятно, при катодном восстановлении комплексов платины - продуктов растворения анода. Развитая поверхность осажденной платины обеспечивает факторы шероховатости до 100, тем не менее адсорбция водорода на платине не наблюдается.
Наличие обратимых редокс-превращений при циклировании потенциала является типичным для активно исследуемого класса проводящих полимеров [21]. На платиновых и некоторых других электродах такие полимеры обычно образуются в условиях анодной полимеризации органических молекул - сложного процесса, связанного с промежуточным образованием радикалов. В обсуждаемой системе образование такой пленки зафиксировано в ходе катодного процесса.
Не исключено, что процесс полимеризации в условиях синтеза Кольбе в пиридин-содержащих растворах аналогичен наблюдавшемуся в [22] образованию пленок на ртутном катоде в кислых водных растворах пиридина. К сожалению, редокс-поведение пленки на ртути в [8] не исследовалось, однако, из данных этой работы можно заключить, что полученная авторами пленка обладала диэлектрическими свойствами и снижала емкость электрода практически до нуля.
Попытка получения аналогичной катодной пленки в метанольных растворах пиридина в отсутствие органических кислот оказалась безуспешной, что могло быть связано, в частности, и с неопределенностью условий поляризации катода в плохо проводящей пиридин-метанольной среде. Вполне вероятно, однако, что пленка образуется в результате сополимеризации пиридина и фенилацетата (пропионата) или продуктов их электрохимических превращений. В принципе нельзя исключить и полимеризацию комплексов платины с органическими лигандами.
Требует дальнейшего исследования также специфика режима поляризации, в котором образуются редокс-активные пленки. Получать их удавалось только в гальваностатических режимах в условиях постепенного снижения потенциала. В простых потенциостатических режимах катодная поляризация приводит к формированию визуально идентичных, но механически менее прочных пленок, наружная часть которых легко удаляется при переносе в водный сернокислый раствор. Оставшаяся на электроде тонкая полупрозрачная пленка также устойчива к поляризации, но не обнаруживает выраженных редокспереходов - в ней, однако, отчетливо фиксируется по величине заряда в водородной области наличие дисперсной платины, причем факторы шероховатости достигают 100.
Устойчивость катодной пленки при анодной поляризации позволяет использовать модифицированные ею электроды в качестве анодов для электросинтеза Кольбе, что можно рассматривать как перспективный путь управления анодным декарбоксилированием. Достоинство этого способа состоит в том, что можно избежать введения добавок в раствор при проведении препаративного электролиза.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 99-03-33487а.

Литература

1. Schafer H.J. in Compr. Organic Synthesis/Ed. B.M.Trost, I.Flemini, Pergamon, Oxford, 1991, v.3, p.633.
2. Эберсон Л., в кн. 'Электрохимия органических соединений' под ред. М.М.Байзера, М.: Мир, 1976, с.334.
3. Weiper-Idelmann A., Kahmen M., Schafer H.J., Gockeln M.// Acta Chem.Scand. 1998. V.52. P.672.
4. Sugiya M., Nohira H.// Bull.Chem. Soc. Japan. 2000. V.73. P.705; Chem. lett. 1998. P.479.
5. Volckaerts E., Geise H.J., Daelemans F., Claereboudt H.//Bull. Soc. Chim. Belg. 1992. V.101. P.497.
6. Linstead R.P., Shephard B.R., Weedon B.C.L.//J. Chem. Soc. 1951. P.2854.
7. Linstead R.P., Shephard B.R., Weedon B.C.L.//J. Chem. Soc. 1952. P.3624.
8. Coleman J.P., Lines R., Utley J.H.P., Weedom B.C.L.// J.Chem. Soc. Perkin II. 1974. P.1064.
9. Ross S.D., Finkelstein M.//J.Org. Chem. 1969. V.34. P.2923.
10. Vijh A.K., Conway B.E. // Chem. Rev.1967. V.67. P. 623.
11. Фиошин М.Я., Миркинд Л.А. в сб. Итоги науки и техники. Сер. Электрохимия. М.,ВИНИТИ, 1972, с. 273.
12. Миркинд Л.А., Тюрин Ю.М. в кн. Электросинтез и механизм органических реакций. М., Наука, 1973, с.181.
13. Andrieux C.P., Gonzalez F., Saveant J.-M.//J.Am. Chem. Soc. 1997. V.119. P.4292.
14. Yan J-F., Fedkiw P.S., Law C.G.// J.Appl. Electrochem. 1996. V.26. P.175.
15. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. М. Мир, 1976, 440 с.
16. Beilst., Bd.14, Supp. II. P. 302.
17. Beilst., Bd.14. P.493.
18. Lokensgard J., Fisher J., Bartz W.// J. Org. Chem.//1985. V., 50, 26,5609.
19. Belst., Bd.5, P. 598.
20. Beilst., Bd.5, P. 616.
21. Lyons M.E.G. (ed.). Electroactive Polymer Electrochemistry, New York: Plenum Press, Part 1 (1994) and Part 2 (1996).
22. Федорова А.И., Васина С.Я.// Электрохимия. 1967. Т.3. С.742.

Подписи к рисункам

Рис.1. Потенциодинамические кривые, измеренные на платиновом электроде в метанольном растворе 1 М фенилуксусной кислоты с добавкой 0,5 М метилата натрия. Скорость развертки потенциала 2 В/мин. Номера кривых соответствуют номерам циклов, перед измерением кривой 1 электрод поляризовали в течение 5 мин при Е = 0,5 В.

Рис.2. Вольтамперограммы платинового электрода, покрытого анодной пленкой, в 0,5 М растворе Н₂SО₄. Номера кривых соответствуют номерам циклов. Скорость развертки потенциала 2 В/мин.

Рис.3. Вольтамперограммы платинового электрода, покрытого катодной пленкой, в 0,5 М растворе Н₂SО₄. 1 - первый, 2 - десятый циклы. Скорость развертки потенциала 2 В/мин.

Рис.4. Типичная вольтамперограмма платинового электрода, покрытого катодной пленкой, в 0,5 М растворе Н₂SО₄. Скорость развертки потенциала 2 В/мин.

Вернуться